Способ измерения электрохимических свойств формаций, прилегающих к скважине

 

Назначение: изобретение относится к горной и нефтяной промышленности и предназначено для измерения удельного сопротивления прилегающих геологических формаций, изнутри закрепленной скважины. Сущность изобретения: применительно к стационарным измерениям на фиксированной глубине внутри закрепленной скважины, изобретение раскрывает способ, который включает измерительный шаг и последующие первый и второй компенсационные шаги, соответственно приводящие к повышенной точности измерений. Для осуществления способа из обсадной колонны в формацию подают первый переменный ток первой частоты и второй переменный ток второй частоты, который пропускают вдоль обсадной колонны. Способ позволяет одновременно выполнять измерительный шаг и оба компенсационных шага, необходимых для получения точных результатов во время движения устройства в вертикальном направлении в закрепленной скважине. 6 ил.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для измерения удельного сопротивления и других электрохимических параметров через обсадную колонну.

Известен способ определения проводимости в формации, имеющей обсаженную скважину, имеющее две пары измеряющих напряжение электродов, которые контактируют с обсадной колонной, и которое имеет калибровочное устройство для калибрования вариаций толщины обсадной колонны и ошибок в размещениях электродов (1).

Однако, известный способ не исключает все типы "ошибок второго рода".

Известен способ для измерения электрического удельного сопротивления геологических формаций через металлическую бурильную трубу или обсадную трубу (2), в котором измеряют напряжение множеством электродов внутри обсаженной скважины, которые касаются стенки скважины. Однако, в этом способе не регистрируется разность между двумя парами электродов для прямого измерения электронных свойств в непосредственной близости формаций.

Известен способ электрических измерений обсадных колонн скважин (3), основанный на измерении посредством двух пар измеряющих напряжение электродов, которые принудительно контактируют с внутренней поверхностью обсадной колонны. Однако, этот способ не предусматривает наличие какого-либо подходящего калибровочного устройства для калибрования вариации толщины или ошибок размещений электродов.

Наиболее близким аналогом к настоящему изобретению является способ измерения электрохимических свойств формаций, прилегающих к скважине, окруженной обсадной колонной, включающий подачу первого синусоидального переменного тока на обсадную колонну в первой входной точке по близости от специфической части формации, подлежащей тестированию, измерение этого тока в первой входной точке, где часть первого тока подают в формацию вдоль длины колонны обсадных труб скважины, измерение величин напряжений между множеством дискретных пар, состоящих по меньшей мере, из трех точек измеренных вертикальных вдоль обсадной колонны скважины, определение части обсадной колонны, примыкающей к специфической части формации, подлежащий тестированию, причем, первое сопротивление определяют, как сопротивление между первой и второй точкой измерения из трех точек измерения, а второе сопротивление определяют, как сопротивление между второй и третьей измерительными точками из этих трех точек измерения, а измерение электрохимического параметра формации по величинам дифференциальных напряжений (4).

Однако, этот способ устраняет только ошибки первого порядка и не устраняет ошибок второго порядка.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации ошибок второго порядка и производства измерений во время вертикального перемещения измерительного устройства в скважине.

Для этого в способе измерения электрохимических свойств формаций, прилегающих к скважине, окруженной обсадной колонной, включающем подачу первого синусоидального переменного тока на обсадную колонну в первой исходной точке поблизости от специфической части формации, подлежащей тестированию, измерение этого тока в первой входной точке, где часть первого тока подают в формацию вдоль длины обсадной колонны скважины, измерение величин напряжений между множеством дискретных пар, состоящих, по меньшей мере, из трех точек измерения, разнесенных вертикально вдоль обсадной колонны скважины, определение части обсадной колонны скважины, примыкающей к специфической части формации, подлежащей тестированию, причем, первое сопротивление определяют между первой и второй точками измерения из этих трех точек измерения, а второе сопротивление определяют между второй и третьей точками измерения из этих трех точек измерения и измерение электрохимического параметра формации по величинам дифференциальных напряжений, одновременно с подачей первого синусоидального переменного тока, подают второй синусоидальный переменный ток во второй точке входа на обсадную колонну скважины, через эту часть обсадной колонны, определяемую этими разнесенными точками измерения напряжения и к первой выходной точке на обсадной колонне, причем эта вторая входная точка и эта первая выходная точка расположена на противоположных сторонах этой части обсадной колонны, определенной этими разнесенными точками измерения напряжения, и измеряют величины дифференциальных напряжений между множествами дискретных пар этих трех точек измерения, разнесенных вдоль обсадной колонны, а также определяют величины дифференциальных напряжений между этим множеством дискретных пар этих точек измерения, разнесенных вдоль обсадной колонны, и с помощью этого определения величин дифференциального напряжения осуществляют первое компенсационное определение из первого и второго сопротивлений и второго тока, измеренного на второй входной точке обсадной колонны, и второе компенсационное определение из первого и второго сопротивления и из части первого тока, входящего в формацию, в которой определяют электрохимический параметр по изменяющимся во времени величинам дифференциальных напряжений, включая первое и второе компенсационное определение вдоль обсадной колонны скважины.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 разрез предпочтительного варианта осуществления изобретения, именуемого "инструментом измерения удельного сопротивления через обсадную колонну" (TCRT), на фиг.2 - графическая зависимости ДI от Z, характеризующая чувствительность инструмента к различным формациям, на фиг. 3 разрез предпочтительного варианта осуществления изобретения, иллюстрирующий способ измерения V_o, на фиг. 4 разрез варианта осуществления изобретения, который имеет измеряющие напряжение электроды, разнесенные на различные расстояния, на фиг. 5 разрез варианта осуществления изобретения, в котором электроды разнесены на различные расстояния и который иллюстрирует способ измерения V_o, и на фиг. 6 - разрез варианта осуществления изобретения, которое приспособлено производить измерения во время вертикального перемещения в обсаженной скважине.

На фиг. 1 показана типичная обсаженная скважина в нефтяном месторождении. Скважина 2 закреплена обсадной колонной 4, которая удерживается цементом 6 в горной формации 8. В окрестности обсаженной скважины имеется нефтеносный пласт 10.

Обсадная колонна может электрически простираться или не доходить до уровня земли 12. Генератор сигнального напряжения 14 подает переменного тока напряжение по кабелю 16 на усилитель мощности 18. Генератор сигналов представляет собой основной источник напряжения, включающий в себя как сравнительно простые устройства, подобные осциллятору, так и сравнительно сложную электронику, подобную генератору произвольной формы сигналов. Усилитель мощности 18 используется для подачи переменного тока по изолированному проводу 20 на электрод А, который находится в электрическом контакте с обсадной колонной. Этот ток может возвращаться на усилитель мощности по кабелю 22 по двум различным цепям. Если переключатель SWI соединен с электродом В, который электрически заземлен на поверхности земли, то ток от усилителя мощности, в основном, проходит через кабель 20 на электрод А и затем возвращается через обсадную колонну и цементный слой, через горную формацию на электрод В и, наконец, через кабель 22 на усилитель мощности. В этом случае большая часть тока проходит через землю. Альтернативно, если переключатель соединен с изолированным кабелем 24, который, в свою очередь, соединен с электродом Г, который находится в электрическом контакте с обсадной колонной, то ток в основном, проходит от электрода А на электрод Г по обсадной колонне, возвращаясь на усилитель мощности по кабелю 22. В этом случае через землю течет очень слабый ток.

Электроды С, Д и Е находятся в электрическом контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны. Вообще говоря, ток текущий по обсадной колонне, зависит от позиции. Например, ток I течет вниз к электроду С, ток IД течет вниз к электроду Д, и ток I_E течет вниз к электроду Е. Вообще, следовательно, существует разность напряжений VI электродов С и Д, которая усиливается дифференциально усилителем 26. Разность напряжений V2 электродов и Д и Е также усиливается усилителем 28. Когда переключатели SW2 и SW3 установлены в положения "замкнут", как проиллюстрировано на рисунке, выходные сигналы усилителей 26 и 28 вычитаются дифференциально на усилителе 30. Напряжение от усилителя 30 поступает на поверхность по кабелю 32, на фазочувствительный детектор 34. Фазочувствительный детектор получает свой опорный сигнал от генератора сигналов по кабелю 36. Дополнительно, цифровой контролер усиления 38 цифровым образом управляет коэффициентом усиления усилителя 28, посылая по кабелю 40 команды в скважину. Контроллер усиления 38 также способен переключать входные провода усилителя 20 по команде, тем самым, фактически меняя выходную полярность сигнала, исходящего из усилителя 28 при определенных видах измерений.

Полный ток, проходящий к электроду А, измеряет элемент 42. В предпочтительном варианте, представленном на фиг.1, переменный ток представляет собой симметричную синусоидальную волну, и поэтому в предпочтительном варианте 1 является О-пиковым значением переменного тока, проходящего к электроду А (О-пиковое значение синусоидной волны равно 1/3 значения размаха синусоидной волны).

Вообще, когда переключатель SW1 соединен с электродом В, ток проходит через формацию. Например, ток ΔI проходит в формацию вдоль длины 2L между электродами С и Е. Однако, если переключатель SW1 соединен с кабелем 24 и следовательно, с электродом F, то ток не течет через формацию к электроду В. С этом случае I_C I_Д I_E, поскольку существенно ток ΔI проходит через формацию.

Следует заметить, что если переключатель соединен с электродом В, то ток стремится проходить через формацию, а не вдоль обсадной колонны скважины. Вычисления показывают, что при 7-дюймовом внешнем диаметре обсадной трубы и 1/2-дюймовой толщине стенки, если удельное сопротивление формации составляет I Ом-метр и формация однородна, приблизительно половина тока будет отрываться от обсадной колонны и уходить в формацию вдоль участка 320 метров обсадной колонны. Для однородной формации с удельным сопротивлением 10 Ом-метр, эта длина составит 1040 метров.

Один вариант осуществления изобретения предлагает предпочтительный метод работы для описанного выше устройства: Первым шагом измерения удельного сопротивления формации является "балансировка" инструмента. Переключатель SW1 соединяется с кабелем 24 и следовательно, электродом F. Затем пропускают ток переменного напряжения от электрода А к электроду F через обсадную колонну скважины. Хотя очень незначительный ток уходит а формацию, напряжения V1 и V2 вообще говоря, различны по причине вариаций толщины обсадной колонны, неточного размещения электродов и многочисленных других факторов. Однако, усилитель 28 настраивают с помощью контроллера коэффициента усиления так, что разностное напряжение V3 стало нулевым. (Усилитель 28 можно также оснастить фазобалансирующей электроникой, если необходимо обеспечить ноль на любой заданной рабочей частоте). Поэтому если электроды оставить затем на том же самом месте после балансировки на ноль, паразитные эффекты, подобные вариации толщины обсадной колонны, не будут сказываться на последующих измерениях.

Если затем соединить переключатель SW1 с электродом В, генератор сигналов возбуждает усилитель мощности, который проводит ток на электрод А, который находится в электрическом контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны скважины. Здесь на обсадную колонну подают ток с амплитудой от 1 ампера до 30 ампер с частотой 1 Гц, как правило. Низкочастотная работа ограничивается электрохимическими эффектами, подобными явлению поляризации и изобретением можно пользоваться при частоте вплоть до 0,1 Гц, получая правильные результаты измерений удельного сопротивления. Высокочастотная работа ограничена поверхностными эффектами, свойственной обсадной колонне, и для измерения сопротивления в соответствии с изобретением верхней предельной частотой является, вероятно, частота 20 Гц. Затем пропускают ток по обсадной колонне вверх и вниз от электрода А и некоторая часть тока проходит через насыщенный буровыми водами цемент, окружающий обсадную колонну, и через разного удельного сопротивления зоны, окружающие обсадную колонну. Ток затем возвращается к поверхности земли через электрод В.

Таким образом, при работе предпочтительным способом, описанным выше, сначала инструмент балансируют на нулевой сигнал выходной усилитель 30, когда переключатель SW1 соединен с кабелем 24 и затем величина отклонения этого сигнала от нуля, когда переключатель SW1 соединен с электродом В, служит мерой утечки тока в формацию. Такой способ работы автоматически не исключает все "второго порядка ошибки измерения". Усовершенствованный способ работы описан в последнем разделе настоящей заявки, причем, этот способ автоматически исключает эти "второго порядка ошибки измерения".

На фиг. 2 представлено измерение разностного тока ΔI,, уходящего в формацию, для разных глубин Z внутри обсаженной стальными трубами скважины. Z означает глубину, на которой находится электрод Д на фиг.1. Следует заметить, что когда приложено напряжение к электроду А и переключатель SW1 соединен с электродом В, возникает радиально симметричное электрическое поле, приложенное к формации, которое приблизительно перпендикулярно к обсадной колонне. Это электрическое поле создает направленные наружу токи, подобные току ΔI на фиг.1, которые обратно пропорциональные удельному сопротивлению формации. Поэтому следует ожидать разрывы непрерывности тока ΔI на стыке зон разного удельного сопротивления, в частности, на границах нефть-вода и нефть-газ. Например, кривая (a) на фиг.2 иллюстрирует результат для однородной формации с удельным сопротивлением ρ₁. Кривая (в) показывает отклонение от кривой (a), когда пересекается формация с удельным сопротивлением ρ₂ и толщиной Т₂, где ρ₂ меньше ρ₁. И кривая (c) иллюстрирует противоположную ситуацию, когда пересекается формация с удельным сопротивлением ρ₃, которое больше ρ₁ и толщиной Т₃. Очевидно, что при таких обстоятельствах ΔI₃ меньше ΔI₁, который меньше ΔI₂.

Фиг.3 иллюстрирует детально способ измерения параметра.

Электроды А, В, С и Е и F определены со ссылками на рис.1. Все элементы, оцифрованные позициями с 2 по 40, уже определены со ссылками на рис.1. На рис.3 толщина обсадочной колонны обозначена τ₁, толщина цементного слоя τ₂ и диаметр обсадочной колонны d. Переключатели SW1, SW2 и SW3 также определены на рис. 1. Дополнительно на рис.3 изображен электрод С, который является опорным электродом при измерении напряжения и который находится в электрическом контакте с поверхностью земли. Этот электрод используется как опорный электрод и пропускает незначительный ток во избежание измерительных ошибок, наводимых током.

Дополнительно на фиг. 3 изображен переключатель SW4, который позволяет соединять кабель 24 с одной из трех позиций: и разомкнутой цепи, к электроду G или к верхнему концу обсадной колонны скважины. Дополнительно на фиг.3 изображены переключатели SW5, SW6 и SW7, которые можно устанавливать в проиллюстрированные позиции. (Устройство, изображенное на фиг.3, может использоваться точно таким образом, как изображенное на рис.1, при условии, если переключатель SW2, SW5, SW6 и SW7 поставлены в позиции, противоположные тем стоящим, в которых они изображены на фиг.3, и если переключатель SW4 поставлен в позицию "разомкнутая цепь").

Если переключатели SW2, SW5, SW6 и SW7 установлены, как изображено на фиг. 3, то можно измерить величину V_o. Когда заданный ток I протекает к электроду А, то потенциал этой точки обсадной колонны повышается относительно нулевого потенциала гипотетичной точки, бесконечно удаленной от обсадной колонны. В интервале обсадной колонны между электродами С6 Д и Е на фиг.3 имеется средний потенциал относительно бесконечно удаленной опорной точки. Однако, потенциал, измеренный между только электродами Е и С приблизительно равен V_o при условии, если расстояние между электродами A,C,Д и Е меньше некоторого критического расстояния, пусть 10 метрам, и при условии, если электрод С находится на расстоянии, превышающем некоторое другое критическое расстояние от обсадной колонны, например, 10 метров от обсадной колонны скважины. Выходной сигнал усилителя 28 зависит от разницы напряжений на электроде Е и другом входе усилителя, к которому присоединен кабель 24. Когда переключатель SW1 соединен с электродом В и переключатель SW4 соединен с электродом G, кабель 24 находится под существенно тем же потенциалом, что и электроды G и V_o можно измерить фазочувствительным детектором 34. Во многих случаях переключатель SW4 можно соединить с верхним концом обсадной колонны, что также позволяет делать измерение при условии, если электрод А находится ниже некоторой "критической глубины".

Чтобы описание изобретения было точным, скажем, что электрод А есть верхний токопроводящий электрод, который находится в электрическом контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны, электрод В есть токопроводящий электрод, который находится в электрическом контакте с поверхностью земли, электроды С,Д и Е являются измеряющими напряжение электродами, которые электрически контактируют с внутренней поверхностью обсадной колонны, электрод F есть нижний токопроводящий электрод, который находится в электрическом контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны, и электрод С есть опорный электрод при измерении напряжения, который находится в электрическом контакте с поверхностью земли.

Далее, V_o называется локальным потенциалом обсадной колонны. Примером электронного разностного устройства является комбинация из усилителей 26, 28 и 30. Разностный ток втекающий в формацию и подлежащей измерению, обозначается ΔI. Разностное напряжение, есть напряжение на выходе усилителя 30 (см. фиг.1), когда переключатель SW1 соединен с электродом В и все остальные переключатели стоят в позициях, изображенных на рисунке.

Фиг.4 почти идентична фиг.1, исключая то, что электроды С и Д отстоят на расстоянии L₁, электроды Д и Е отстоят на расстоянии L₂, электроды А и С отстоят на расстоянии L₃, электроды Е и F на расстоянии L₄. Дополнительно r₁ есть радиальное расстояние удаленности электрода В от обсадной колонны. И Z есть глубина от поверхности земли до электрода Д.

Фиг. 5 почти идентична фиг.3, исключая то, что здесь также явно проставлены расстояния L₁, L₂, L₃, L₄, r₁ и Z. Дополнительно r₂ определяется, как радиальное расстояние от обсадной колонны до электрода С. Как будет ясно из последующего анализа, изобретение будет хорошо работать, если L₁ и L₂ не будут равны. Применительно к различным типам измерениям расстояния L₃ и L₄ не оказывают существенного влияния при условии, если они значительно не превосходят L₁ и L₂.

Ниже дано описание усовершенствованного способа работы предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылками на фиг.1. Используя этот "предпочтительный способ работы", раскрытый ниже, устройство можно перевести в одно из трех состояний: (1) "чувствительное измерительное состояние", (2) "предпочтительное нулевое состояние", (3) "предпочтительное калибровочное состояние".

Эти три состояния, задаваемые предпочтительным способом работы настоящего изобретения, определяются следующим образом: (1) Предпочтительное измерительное состояние устройства, изображенного на фиг.1, определяется следующей конфигурацией: SW1 соединен с электродом В, переключатель SW2 замкнут и переключатель SW3 замкнут.

(2) Предпочтительное нулевое состояние устройства, изображенного на фиг. 1, определяется следующей конфигурацией: переключатель SW1 соединен с кабельным проводником 24 и следовательно, электрически соединен с электродом F, переключатель SW2 замкнут и переключатель SW3 замкнут.

(3) Предпочтительное калибровочное состояние устройства, изображенного на фиг.1, определяется следующей конфигурацией, переключатель SW1 соединен с кабелем 24 и следовательно, электрически соединен с электродом F, переключатель SW2 разомкнут и переключатель SW3 замкнут.

Целью последующего анализа является определение способа работы при оценке экспериментальной величины ΔI на фиг.1, который был бы сравнительно точен, который был бы сравнительно нечувствителен даже к значительным вариациям толщины обсадной колонны и который существенно не зависел бы от неточности расположения электродов. Поэтому предложим, что усилители 26, 28 и 30 на фиг. 1 создают коэффициенты усиления соответственно, a₁, a₂ и a₃. Далее предположим, что сопротивление колонны между электродами С и Д равно R₁ Ом и что сопротивление обсадной колонны между электродами и Е равно R₂ Ом. В последующем анализе исключительно с целью упрощения, предполагается, что: (a) нет фазового сдвига между усилителями, (б) нет фазового сдвига между напряжениями, прикладываемыми к обсадной колонне и током, проходящим через землю (вызванным эффектами поляризации, поверхностными эффектами или другими электрохимическими процессами) (в) следовательно, значения, представляющие амплитуды низкочастотных переменного тока величин, можно использовать в последующем упрощенном анализе.

Среднее сопротивление обсадной колонны между электродами Д и Е, обозначаемое, как величина R_A, дает следующее выражение: R_A (R₁ + R₂) /2 (1).

Таким образом, имеется отклонение от среднего сопротивления первой секции обсадной колонны между электродами С и Д, обозначаемое ΔR₁,, удовлетворяющее уравнению: R₁= R_A+ΔR₁ (2) Далее имеется отклонение от среднего сопротивления второй секции обсадной колонны между электродами Д и Е, обозначаемое ΔR₂, удовлетворяющее уравнению: R₂= R₁+ΔR₂ (3) (3) Когда устройство находится в предпочтительном нулевом состоянии так, называемый нулевым током, (обозначаемый IN) проходит по обсадной колонне между электродами С и Е. Поскольку ожидается, что сравнительно малый ток будет протекать через формацию в этом состоянии, то существенно такой же ток IN течет между электродами С и Д и между электродами Д и Е. Поэтому выходное напряжение, создаваемое в этой ситуации усилителем 30 и обозначаемое V_N дает следующее выражение: V_N= a₃{a₂I_N(R_A+R₂)-a₁I_N(R_A+R₁)} (4) Перегруппировав члены уравнения 4, имеем: V_N= a₃·γ·I_N (5)
Величина γ в уравнении 5 определяется по следующей алгебраической формуле:
g = a₂{(R_A+ΔR₂)-a₁(R_A+ΔR₁)} (6)
В предпочтительном измерительном состоянии устройства полный измерительный ток, обозначаемый I_T, проходит между электродами А и электродом В на расстоянии земли. Только часть полного тока проходит вниз по обсадной колонне между электродами С и Д, и эту часть называют просто "измерительным током" и обозначают I_M. Если I_M проходит между электродами С и Д, то определенный ток утечет с обсадной колонны между электродами Д и Е, который определяется, как величина δ_i2. Поэтому ток, проходящий вниз к электроду Е, обозначаемый I_E, дает следующее выражение:
I_E= I_M-δ_i2 (7)
Поэтому напряжение на выходе усилителя 30, обозначаемое W_m, в такой ситуации при аппроксимации моделью с сосредоточенными компонентами дает следующее выражение:
V_m= a₃{a₂(I_M-δ_i2)R_A+ΔR₂(-a₁I_M/R_A+ΔR₁)} (8)
Уравнение 8 можно привести к упрощенному виду:
V_m= a₃·γ·I_M-a₂a₃δ_i2(R_A+ΔR₂) (9)
В устройстве в предпочтительном калибровочном состоянии калибровочный ток I_CA проходит по обсадной колонне между электродами С и Е. Поскольку ожидается, что сравнительно незначительный ток будет течь через формацию в этом состоянии, существенно одинаковые токи I_CA текут между электродами С и Д и между электродами Д и Е. В предпочтительном калибровочном состоянии переключатель SW2 разомкнут, поэтому в этом состоянии выходной сигнал V_CA усилителя 30 дает следующее выражение:
V_CA= -a₁a₃I_CA(R_A+ΔR₁)D (10)
Здесь параметр D является коэффициентом деления или параметром понижения коэффициенте усиления, вводимым во избежание насыщения усилителя 30 при разомкнутом переключателе SW2, хотя устройство его, реализующее явно не представлено на фиг. 1. В основном, когда SW2 разомкнут, выходной сигнал усилителя 30 делится на параметр Д, что было признано полезным входе полевых испытаний. В этом варианте осуществления контроллер коэффициента усиления 38 на рис. 1 обладает, по крайней мере, способностью размыкать и замыкать переключатели SW2 и SW3 и делить выходной сигнал усилителя 30 на коэффициент Д.

Выполняются три основных различных независимых измерения, смысл каждого из которых дает одно из следующих уравнений: уравнение 5, уравнение 9 и уравнение 10. Коэффициенты a₁, a₂ и a₃ предполагаются известными с точностью до 0,1% Перечисляемые ниже токи замеряют для трех различных состояний: I_N, I_M и I_CA. Таким образом, уравнение 5,9,10 содержит три основных неизвестных: δ_i2, R₁ и R₂. Три уравнения с тремя неизвестными всегда имеют единственное решение. Такое решение, применяемое на практике для минимизации необходимой точности измерений, описано ниже.

Удобный параметр ΔV, который надо вычислять для приводимого здесь анализа, определяется следующим выражением:
ΔV = V_M-V_N (11)
Представляя V_M из уравнения 9 и V_N из уравнения 5, имеет для величины ΔV следующее выражение:
ΔV = a₃·γ·(I_M-I_N)-a₂a₃δ_i2(R_A+ΔR₂) (12)
Используя уравнение 10 и разрешая относительно R_A, имеем:
R_A= {-D_CA(a₁a₃I_CA)}-ΔR₁ (13)
Подставим R_A из уравнения 13 в уравнение 12, имеем две величины ΔV выражение:
ΔV = (a₂/a₁)(σ_i2/I_CA)D·V_CA (член A)
+a₃·γ·(I_M-I_N) (член B) (14)
-a₂a₃σ_i2(ΔR₂-ΔR₁) (член C).
Уравнение 14 является основным результатом настоящего анализа.

Уравнение 14 имеет три члена, которые обозначены рядомстоящими буквами и в квадратных скобках. Член А дает полезную информацию, касающуюся измерения тока утечки, уходящего в формацию. Член В является первого порядка ошибкой, которая появляется, если измерительный ток I_M не равен нулевому току I_N и если разные части обсадной колонны имеют разные сопротивления. Член С является ошибкой второго порядка, которая равна произведению разности сопротивлений различных частей обсадной колонны и тока утечки, уходящего в формацию. Член С называется членом второго порядка, поскольку он равен произведению двух величин, каждая из которых чрезвычайно мала в идеальных условиях.

Чтобы дать представленные о сравнительных числовых значениях членов А, В и С и их сравнительной значимости, эти члены будут вычислены для следующих значений:
a₁ a₂ A (15)
a₃ 10
D 10
ΔR₁= 0,1R_A
ΔR₂= +0,3R_A
I_N I_CA I_o.

Далее, чтобы подчеркнуть важность члена В, представляющего первого порядка ошибку, предположим, что токи I_M и I_N почти равны, что определяют равенство:
I_M I_N -0,01·I_o (16)
Сначала используется уравнение 10 для вычисления величины V_CA в член А уравнения 14, затем в уравнение 14 подставляют уравнения 15 и 16, используют уравнение 6 для вычисления величины γ, в результате чего для уравнения 14 получают:
член А = -0,80A·a₃δ_i2R_A (17)
член B = -0,004A·a₃·I_o·R_A (18)
член C = -0,40A·a₃·σ_i2·R_A (19)
В этом примере член С, определяющий ошибку второго рода, значителен. Член А несет информацию, касающуюся тока утечки, исходящего от обсадной колонны:
Член С/член А 0,44 (20)
Член "ошибка второго порядка" обуславливает 44%-ную ошибку при вычислении тока утечки, если только член А уравнения 14 используется для вычисления тока утечки в формацию. Поэтому можно сделать вывод, что для повышения точности измерений необходимо усовершенствовать способы компенсации ошибок второго порядка.

Когда ток утечки составляет около 30 миллиампер и ток I_o равен 5 амперам, отношение членов В и А равно:
Член В/член А 0,74 (21)
Следовательно, если токи I_M и I_N равны с точностью только 1% как в уравнении 16, 74% -ные измерительные ошибки можно ожидать в этом примере, если только член А в уравнении 14 использовать для вычисления тока утечки в формацию.

Результат уравнения 21 также подчеркивает важный аспект настоящего анализа. Если токи I_M и I_N разнились бы на 50% что типично для случая, когда полные токи, подаваемые на обсадную колонну через амперметр 42, остаются одинаковыми для различных состояний переключателя SW1, то в приведенном примере ошибки при измерении этой величины могли бы, по крайней мере, в 35 раз больше. Чтобы компенсировать также большие ошибки, сопротивления R₁ и T₂ следовало бы измерять с точностью, характеризуемой 5-десятичными разрядами, чтобы обеспечивалась требуемая точность измерения тока утечки. Эту 5-разрядную точность весьма трудно достичь в силу перекрестных искажений в линиях связи, магнитных наводок и других факторов, которые следует рассматривать в другом родственном приложении. В противоположность этому способу работы описанный выше требует произведение измерений различных величин лишь с постоянной точностью, характеризуемой обычно 3-десятичными разрядами, что значительно проще осуществить на практике.

Поэтому при использовании одного варианта осуществления изобретения токи I_M и I_N следует приравнивать с точностью одной тысячной (1,0%), чтобы получить приемлемые измерительные ошибки тока утечки с точностью лучше 10% если член В в уравнении 14 будет игнорировать при интерпретации данных.

Следовательно, чтобы на практике избегать первого порядка ошибки измерений, если член В будет игнорироваться (и a₁ a₂ A), абсолютная величина (I_M I_N)≅ 0,001·I_o (22).

Уравнение 14 является основным результатом и используется для интерпретации данных. Поскольку установлены сравнительные значимости различных членов, изложенная ниже логика используется для преобразования уравнения 14 к форме, которая используется в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения. В частности, если коэффициенты усиления усилителя 26 и 28 равны, то для уравнения 14 полагают:
a₁ a₂ A (23)
Подставляя уравнение 23 в уравнение 6, для величины γ получаем следующее выражение, которое можно использовать для упрощения члена В в уравнении 14:
g = A(ΔR₂-ΔR₁) (24)
Член С в уравнении 14 можно преобразовать к другой форме, которая более пригодна для анализа, если уравнение 23 подставить в уравнение 5 и 6, в результате чего:
(ΔR₂-ΔR₁) = V_N/(a₃·A·I_N) (25)
Затем уравнение 24 используется для упрощения члена В в уравнении 14 и уравнение 25 используется для упрощения члена С в уравнении 14, в результате чего:

Первая строка уравнения 26 имеет соответствующие члены А и С из уравнения 14. Вторая строка уравнения 26 соответствует члену В в уравнении 14. Обратите внимание, что этот второй член представляет собой математическое произведение разности сопротивлений между различными участками обсадной колонны и разности измерительного и нулевого токов, являясь членом "ошибки первого порядка" и который очень велик, если не сделать измерительный и нулевой токи равными по причинам, обсужденным выше.

В предпочтительном способе работы экспериментальные параметры можно настраивать следующим образом:
I_M I_N I_o I см (27)
На практике эти токи делают равными, требуя, чтобы напряжение на выходе усилителя 30 при переключателе SW2 в разомкнутом состоянии и переключателе SW3 в замкнутом состоянии было бы одинаково для обеих состояний переключателя SW1. Для каждой позиции переключателя SW1 выполняются необходимые регулировки выходного напряжения генератора сигналов 14, изображенного на фиг. 1 для того, чтобы ток, текущий между электродами С и Д оставался одинаковым в предпочтительном варианте осуществления изобретения.

Если уравнение 27 точно удовлетворено, то член В в уравнении 26 равен нулю. Используя уравнение 11 для исключения величины ΔV в уравнение 26 можно привести к следующему виду:
δ_i2= I_o[V_M-V_N]/[DV_CA-V_N] (28)
Это первостепенной важности результат, определяющий величину δ_i2, на которую не влияют второго порядка ошибки измерения, обусловленные различными сопротивлениями в соседних участках обсадной колонны. На величину δ_i2 также не влияют первого порядка ошибки измерения.

Следовательно по крайней мере, три измерения различных величин надо выполнить, чтобы исключить существенно измерительные ошибки и получить точные результаты. В приведенном выше случае три независимых измерения выполняются для измерения трех экспериментально независимых величин: δ_i2, R₁ и R₂. Другими словами, первое и второе компенсационные измерения выполняются для корректировки третьего измерения тока утечки в формацию от обсадной колонны для получения точных результатов.

Далее устройство использовалось в трех различных конфигурациях, которые обеспечивают использование его в качестве первого компенсирующего устройства (предпочтительное нулевое состояние) и затем в качестве второго компенсирующего устройства (предпочтительное калибровочное состояние) для получения точных измерений тока утечки (в предпочтительном измерительном состоянии).

Следует кратко заметить, что уравнение 6 в известном способе (1) используется для исключения различных видов измерительных ошибок. Это уравнение проанализировано в свете изложенных выше концепций. Другими словами, уравнение 6 фактически исключает первого порядка ошибки измерений, подобные члену В в уравнении 14. Однако оно не исключает второго порядка ошибки измерения, подобные члену С в уравнении 14. Приведенный пример показывает, что второго порядка ошибки измерения значительны и что необходим способ, состоящий из двух независимых компенсационных шагов и одного измерительного шага, для исключения этих второго порядка измерительных ошибок.

В прототипе (4) описан способ анализа для определения удельного сопротивления прилегающих формаций. Смотрите, в частности, уравнения 6,8 и уравнение 9, как оно направлено в Сертификате изменений. Однако в этом патенте речь идет о величине ΔI, которая является суммарной токовой потерей между электродами С-Д и между электродами Д Е. Однако, здесь этот способ работы дает различие между токовой потерей δ_i1 между электродами С и Д и токовой потерей δ_i2 между электродами Д и Е. Поэтому, используя аппроксимацию моделью с сосредоточенными компонентами, имеем:
δ_i2= ΔI-δ_i1 (29)
Для определения удельного сопротивления прилегающей формации нужно выполнить следующий анализ. Контактное сопротивление R_c цилиндрического электрода длиной t и диаметром d находящегося в контакте с формацией удельного сопротивления ρ вычисляется по следующей формуле:
R_c= ρ{L_n(4t/d)]/(2πt) = ρc. (30)
Геометрическая константа С определяется теоретическими обоснованиями уравнения 30. Экспериментально замеряемое значение контактного сопротивления R_c дает следующая формула:
R_c= V_c/δ_i2
Величина V_o в уравнении 31 равна замеряемому потенциалу обсадной колонны при токе I_o, входящем в уравнение 28. Поэтому удельное сопротивление ρ дает выражение:
r = V_o/(C·δ_i2) (32)
Очень удобно определить новый параметр К так: K I/C (33)
Тогда уравнение 32 можно переписать:
ρ = KV_o/δ_i2 (34) (34)
Используя определение R_c из уравнения 31, можно уравнение 34 преобразовать к окончательному виду:
ρ = KR_c (35)
Уравнение 35 является конечным результатом, используемым для интерпретации данных, предпочтительного способа работы. Параметр К имеет размерность в метрах, что принято, поскольку R_o измеряется в омах и удельное сопротивление измеряется в единицах Ом-метров. Любые значения параметров К, вычисленные по уравнениям 30 и 33, для заданных диаметра обсадной колонны и расстояния между измеряющими напряжение электродами, обосновываются достоверностью аргумента, что секция обсадной колонны длиной t может быть аппроксимирована эллипсоидом вращения. Поэтому следует ожидать,что любое значение К, вычисленное в соответствии с этим анализом, не будет очень точным по причине такой аппроксимации. Есть основания, однако, ожидать, что параметр К можно определить эмпирически с достаточной точностью. Калибрование устройства с использованием формации с известным удельным сопротивлением, которое прилегает к обсадной колонне и чье сопротивление было замерено до установки обсадной колонны, является достаточной мерой для эмпирического определения параметра К. Рассматривая уравнение 30 и 33, можно ожидать, что параметр К будет функцией диаметра трубы. Исходя из этих двух уравнений, можно ожидать, что параметр К будет функцией расстояния между измеряющими напряжение электродами.

Вторая основная часть настоящей спецификации со ссылками на рис. 6 описывает устройство, приспособленное собирать данные во время движения, что позволяет реализовать предшествующий фундаментальный анализ. Предпочтительное устройство, оптимально приспособленное к сбору данных во время движения и реализующее описанные выше фундаментальные способы анализа, нуждается в машине, которая одновременно собирает данные, аналогичные тем, которые собираются в предпочтительном измерительном состоянии, предпочтительном нулевом состоянии и предпочтительном калибровочном состоянии. Устройство, изображенное на фиг. 6, приспособлено собирать данные в аналогичном предпочтительном измерительном состоянии на первой рабочей частоте, обозначаемой "F(I)" возможно, 1 Гц, оно приспособлено одновременно собирать данные в аналогичном предпочтительном нулевом состоянии на второй рабочей частоте, обозначаемой "F(2)" возможно, 2 Гц, оно приспособлено одновременно собирать данные в аналогичном предпочтительном калибровочном состоянии, которое используется для поддержания тока, текущего между электродами С и Д на двух рабочих частотах, таким, как этого требует приведенное выше уравнение 27.

Чтобы обеспечить последовательность изложения, элементы фиг. 6 сначала кратко сравниваются с элементами на рисунках с 1 по 5. Такое введение также служит для расшифровки разнообразных надписей, имеющих на фиг.6. Элементы N 2, 4, 6, 8 и 10 уже описаны. Электроды А, В, С, Д, Е, F и расстояния L₁, L₂, L₃, L₄ уже описаны. Величины δ_i1 и δ_i2 уже описаны выше. Усилители с обозначениями А1, А2 и А3 аналогичны соответственно, усилителям 26, 28 и 30, представленным на рисунках 1, 3, 4, 5. Дополнительно устройство, изображенное на фиг.6, имеет следующее: (a) два сигнальных генератора, обозначенных "SGIat F(I)" и "GI atF(2)"и работающих соответственно, на первой и второй рабочих частотах,
(б) два усилителя мощности, обозначенные надписями "РА 1" и "РА 2".

(в) пять фазочувствительных детекторов, обозначенных надписями "PSD 1", "PSD 2", "PSD 3", "PSD 4" и "PSD 5", которые соответственно, имеют каждый по измерительному входу, обозначенному SIG, каждый по входу для опорного сигнала, обозначенному "REF", каждый по выходу, обозначенному стрелкой, направленной от соответствующего устройства и каждый из которых не воспринимает любые сигнальные напряжения на частотах, не равных той, которую имеет соответствующий опорный сигнал.

(г) "дифференциальный усилитель ошибки", обозначенное "Error Difference amp",
(д) устройство, которое напряжением управляет коэффициентом усиления, именуемое "устройством управляемого напряжением коэффициента усиления", обозначенное "VCG".

(e) дополнительный токопроводящий электрод, обозначенный "Н" (который располагается на расстоянии L₅ выше электрода А, не изображен),
(ж) дополнительный измеряющий напряжение электрод, обозначенный "I" (расположенный на расстоянии L₆ ниже электрода F, не изображен).

(з) измеряющие ток устройства или амперметры, обозначенные "11" и "12",
(и) и дифференциальный усилитель напряжения, обозначенный "А4" на фиг.6.

Устройство работает следующим образом.

Как и при аналогичном "предпочтительному измерительному состоянию", сигнальный генератор SGI создает базисное сигнальное напряжение на SCG, который определяет уровень выхода РА I, который пропускает ток на частоте F(1) через измеритель 11, через кабель 44 на электрод А и затем между электродами А и В через геологическую формацию, а от электрода В через кабель 46 обратно на РА 1. Таким образом, создается падение напряжения на частоте F(1) вдоль обсадной колонны между электродами С-Д и Д-Е. Усилитель А1 воспринимает разность напряжений электродов С-Д, усилитель А2 воспринимает разность напряжений электродов Д-Е, и усилитель А3 воспринимает разность напряжений на выходах соответственно, усилителей А2 и А1, которая передается вверх по кабелю на PSD 1 и PSD 3. Напряжение, измеряемое PAD 1, аналогично определенному выше V_M.

Как и при аналогичном "предпочтительном нулевом состоянии" сигнальный генератор SG 2 создает базисное сигнальное напряжение, которое определяет уровень выхода РА 2, который пропускает ток на частоте F(2) через измеритель 12, через кабель 50 на электрод Н через участок обсадной колонны к электроду F и обратно через кабель 52 на РА 2. Таким образом, создается падение напряжения на частоте F(2) вдоль обсадной колонны между электродами С-Д и Д-Е. Усилитель А1 воспринимает разность напряжений электродов С-Д, усилитель А2 воспринимает разность напряжений электродов Д-Е, и усилитель А3 воспринимает разность напряжений на выходах соответствующих усилителей А2 и А1, которая затем передается вверх по кабелю 48 на РО 1 и РО 3. Напряжение, измеряемое РО 3, аналогично определенному выше V_N.

Как и при аналогичном "предпочтительном калибровочном состоянии", падение напряжения между электродами С-Д, усиленное усилителем А1, по кабелю 54 поступает на PSD 2 и PSD 4. РО 4 измеряет величину, характеризующую ток на частоте F(1) через участок обсадной колонны между электродами С-Д, PSD 2 измеряет величину, характеризующую ток на частоте F(2) через участок обсадной колонны между электродами С-Д. Выходные сигналы PSD 2 и PSD 4 поступают по кабелям соответственно 56 и 58 на дифференциальный усилитель ошибки, который подает сигнал ошибки на VCG по кабелю 60. Напряжение, приложенное SG1 по кабелю 62 к VCG, характеризует базовый уровень тока, проходящего через измеритель 11. Однако, напряжение ошибки, передаваемое кабелем 60 на VCG вызывает регулировки тока, проходящего через 11, таким образом, что токи на частотах F(1) и F(2), проходящие через участок обсадной колонны между электродами С и Д оказываются равными с точностью, определяемой уравнением 22.

Для определения удельного сопротивления нужно иметь потенциальное напряжение V_o. Электрод I обеспечивает напряжение на одном из двух входов усилителя А4, а другое входное напряжение создает электрод С. Сигнал разностного напряжения с выхода усилителя А4 поступает на РО 5 по кабелю 64. PSD 5 получает опорное напряжение на частоте F(1) от SG1. V_o измеряют PSFD 5 на частоте F(1). Таким образом, записывающая и вычисляемая система обеспечивается информацией, достаточно для вычисления удельного сопротивления в форме, аналогичной уравнению 32.

Для целей внесения ясности, обратите внимание, что SG1 создает выходное напряжение на частоте F(1), его выход соединен с узлом "напряжение" 66, который, в свою очередь, соединен с опорными входами PSD 1, PSD 4 и PSD 5. Далее, обратите внимание, SG 2 создает выходное напряжение на частоте F(2), его выход соединен с узлом "напряжение" 68, который, в свою очередь, соединен с опорными входами PSD 2 и PSD 3.

Цифровая записывающая система 70 обозначена надписью "ДIG REC SYSTEM". Она способна собирать данные, выполнять вычисления на встречном компьютере и выдавать результаты обработки данных в форме каротажных схем, как принято при каротаже скважин. Выход PSD 5 соединен с входом цифровой записывающей системы проводом 72. Аналогично, выход PSD 1 соединен с входом цифровой записывающей системы проводом 74. Однако, чтобы избежать излишнюю сложность рис.6, только кусок провода (обозначенный 74) изображен в виде стрелки, исходящей на PSD 1 и только конец этого провода, непосредственно соединенный с входом цифровой записывающей системы, изображен в виде входящей стрелки (также обозначенной 74). Вообще исходящая оцифрованная стрелке на фазочувствительном детекторе представляет провод, соединенный с его входом. Стрелка, входящая в цифровую записывающую систему, представляет собой провод, соединенный с ее входом. Стрелка, исходящая из фазочувствительного детектора, имеющая определенный номер, должна быть соединена проводом с соответствующей стрелкой, входящей в цифровую записывающую систему. Таким образом, выход PSD 3 соединен с входом цифровой записывающей системы проводом 76. Выход PSD 2 соединен проводом 78 с входом цифровой записывающей системы. Выход PSD 4 соединен проводом 80 с входом цифровой записывающей системы. Дополнительно, провод 82 соединяет выход усилителя А2 с входом усилителя А3. Многие сопряженные фазочувствительные детекторы имеют цифровые выходы. Такие цифровые выходы можно считать идеальными для подачи цифровых данных на компьютер, встроенный в цифровую записывающую систему. С другой стороны, многие более старых моделей фазочувствительные детекторы имеют только аналогичные входы. В таком случае соответствующими входами цифровой записывающей системы должны, очевидно, быть аналого-цифровые преобразователи, осуществляющие связь с компьютером, встроенным в цифровую записывающую систему. Этот встроенный компьютер способен выполнять стандартные математические вычисления. Данные, таким образом полученные, дают достаточно информации, чтобы вычислить ток утечки, аналогичный определенному уравнением 28. Точное алгебраическое выражение, приемлемое для устройства, зависит от коэффициентов, выбранных для усилителей А1, А2, А3 и А4, однако, очень просто определить уравнение, аналогичное уравнению 28, для подвижной системы. После этого компьютер будет способен вычислять ток утечки в формацию. Информация, поступающая на цифровую записывающую систему, также достаточна для определения потенциального напряжения V_o. Компьютер способен вычислять удельное сопротивление прилегающей геологической формации по формуле 34. Зависимость удельного сопротивления от глубины скважины выдается в форме типичной каротажной схемы, характерной для каротажа скважин.

Резюмируя, отметим: PSD 1 измеряет величину, аналогичную V_m, PSD 3 измеряет величину, аналогичную V_n, PSD 2 и PSD 4 используются для поддержания на двух частотах постоянства тока между электродами С и Д, и PSD 5 измеряет V_o. Записывающая и вычисляющая система вычисляет ток утечки в формацию, локальное потенциальное напряжение обсадной колонны и удельное сопротивление прилегающей геологической формации во время перемещения системы вверх по скважине.

Другие компоненты, обычно используемые при проведении каротажных работ, должны комплектоваться с устройством, они не изображены однако среди них, инструменты для измерения глубины, каротажные машины и кабели, корпуса для опускаемых в скважину приборов и устройств и т.д. Предполагается, что для создания детального проекта и изготовления устройства должны быть использованы значения достигнутого уровня техники. Должны использоваться типовые способы отладки устройства, включающие эмпирическое определение максимальной скорости вертикального подъема устройства путем постепенного повышения скорости до момента, когда будет достигнута критическая скорость, при которой результаты не согласуются с результатами, получаемыми при стационарных измерениях или при более низких скоростях.

Хотя в приведенном выше описании много конкретностей, они не должны истолковываться, как ограничения на объем изобретения, а лишь, как пояснение примером предпочтительных вариантов. Далее, описанное устройство и способ можно использовать, по крайней мере, для следующих способов: локализация невскрытых нефти и газа, оценка пористых пород, наблюдение водных потоков, измерение количественных насыщений, измерения проницаемости и измерения через бурильную колонну с закрепленным на ней бурильным долотом. Соответственно, объем изобретения не определяется проиллюстрированными вариантами, а определяется приложенной формулой или ее эквивалентом.

Формула изобретения

Способ измерения электрохимических свойств формаций, прилегающих к скважине, окруженной обсадной колонной, включающий подачу первого синусоидального переменного тока на обсадную колонну в первой входной точке поблизости от специфической части формации, подлежащей тестированию, измерение этого тока в первой входной точке, где часть первого тока подают в формацию вдоль длины обсадной колонны скважины, измерение величин напряжений между множеством дискретных пар, состоящих по меньшей мере из трех точек измерения, разнесенных вертикально вдоль обсадной колонны скважины, определение части обсадной колонны скважины, примыкающей к специфической части формации, подлежащей тестированию, причем первое сопротивление определяют между первой и второй точками измерения из этих трех точек измерения, а второе сопротивление определяют между второй и третьей точками измерения из этих трех точек измерения и измерение электрохимического параметра формации по величинам дифференциальных напряжений, отличающийся тем, что одновременно с подачей первого синусоидального переменного тока подают второй синусоидальный переменный ток во второй входной точке к обсадной колонне скважины через эту часть обсадной колонны скважины, определенную разнесенными точками измерения напряжения, и к первой выходной точке на обсадной колонне скважины, причем вторая входная точка и первая выходная точка расположены на противоположных сторонах части обсадной колонны скважины, определенной разнесенными точками измерения напряжения, и измеряют величины дифференциальных напряжений между множеством дискретных пар трех точек измерения, разнесенных вдоль обсадной колонны скважины, а также определяют величины дифференциальных напряжений между множеством дискретных пар этих точек измерения, разнесенных вдоль обсадной колонны скважины, и с помощью этого определения величин дифференциального напряжения осуществляют первое компенсационное определение из первого и второго сопротивлений и из второго тока, измеренного во второй входной точке обсадной колонны, а второе компенсационное определение осуществляют из первого и второго сопротивлений и из части первого тока, входящего в формацию, в которой определяют электрохимический параметр по изменяющимся по времени величинам дифференциальных напряжений, включая первое и второе компенсационные определения вдоль обсадной колонны скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6